大体积混凝土一期通水冷却时机研究.pdf

第 4 3卷 第 7期 2 0 1 2 年 4 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo l _ 43 No 7 Apr 201 2 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 2 8 0 5 大体积混凝土一期通水冷却时机研究 吴 鹏 ， 李 勇 泉 ， 黄 耀 英 ( 1 中国长 江三峡集 团公 司， 湖北 宜 昌 4 4 3 1 3 3 ； 2 三峡大学 水利 与环境资源学院 ， 湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 ： 大体积混凝土一期通水冷却的 时间选择是一个影响冷却效 果的重要 因素 ， 采 用水管有 限元 法和水 管冷 却等效热传导法进行 了研 究 ， 并对 比分析 了环境 气温分别为升温过程和降温过程对计算结果的影响。计算结 果表明 ： 随着一期开始通水冷却 时间的延后 ， 冷却 效果更好 ， 停 止通水后混凝 土的温度更 低 ， 但 混凝土 内部 应 力趋于不利 ； 当环境气温为升温过程或降温过程时 ， 仍 可以得到上述 结论 ； 建议大体积 混凝土一期通水冷却宜 尽 早进 行 。 关 键 词 ： 水 管 冷 却 ；一期 通 水 ；温 度 应 力 ；通 水 时机 中图法分类号 ： T V 4 3 1 文献标志码 ： A 在大 体积 混凝 土 中埋 设 水 管 ， 进 行 通水 冷 却 是 一 种有效的温控措施。冷却过程一般分为两期 ， 其 中， 一 期冷 却是 在混 凝土 刚浇 筑完毕 甚 至正浇 筑时就 开始 进 行 ， 以消减 水化 热温 升 。考 虑水 管冷 却时 ， 混凝 土空 间 温度 场分 析是 一个 十分 复杂 的问题 ， 尤 其是 混 凝 土 浇 筑初期水管冷却问题。为了解决这个 问题 ， 朱伯芳提 出 了精 细 有 限元 法 ， 用 有 限 元 法 计 算 水 管 冷 却 的 效 果 卜 ； 刘宁提出了直 接用三维有限元计算冷却水管 的方法 以及有 限元 子 结 构法 ； 朱 岳 明等 则 对直 接 用 三维 有 限元计 算冷 却水 管 的方 法作 了改进 。郭磊 等对混凝土表面保温和水管冷却的温控效果作了比较 分析。 。 。为了方便有 限元 网格剖分 和减小计 算存储 量 ， 朱伯 芳等 把冷 却 水管 看 成 热汇 ， 在 平 均 意 义上 考 虑水 管冷却 的效果 ， 得 到 近似 温 度 场 。黄 耀英 等对 水管有限元法和水管等效热传导法两种计算模型的相 关 性进 行 了探 讨 ， 认 为 水管 冷 却 等效 热 传 导 法 与拱 坝温度荷载计算 中的线性等效温度 的思想是一致 的， 即等效 线性 温度 并非 真实 的温度 ， 而 是虚 拟 的温度 ， 但 其力 学作用 与 真实 温 度 等 效 。此外 ， 朱 伯芳 还 系 统 研 究 了水管管径 、 管距 、 管长 、 水温 、 流量等因素对冷却效 果 的影响 - - 。 由 于 一 期 通 水 冷 却 的时 间选 择 是 一 个 影响冷却效果的重要因素 ， 为工程单位所关注 ， 本文对 大体 积混凝 土 一期通 水冷 却 时机进 行研究 。 1 基本原理 1 1 非稳定温度场三维有 限元分析 非稳 定温 度场 的有 限元控 制方 程 为 ( E t R ) 卜 R T + - I-0 ( 1 ) 式 中 ， 为计 算 步长 ； 引 ， R为系 数矩 阵 ； F为 边界温 度荷 载列 阵 。 当采用水管冷却 等效热传导法进 行温度场分 析 时 ， 此时冷却水管被看成负热源 ， 从平均意义上考虑水 管冷却的效果， 推导得到的等效热传导方程为 等 T + ( T o T o 4 , + 0 。 ( 2 ) 式 中 ， 为 混凝 土温 度 ； o为 混 凝 土 导 温 系数 ； T o为 混 凝 土初温 ； T w 为水 管进 口水 温 。 对式 ( 1 )的 t F + 。 做 相 应 的 修 改 ， 可得 到水 管 冷 却等效热传导法的有限元控制方程。当采用水管冷却 有 限元法 进行 温度 场 分 析 时 ， 此 时求 解 三 维 不稳 定 温 度场有限元控制方程的难点在于， 冷却水管边界 r ” 上 的水温未知。沿程水温增量采用式( 3 ) 计算 A T ： f ( 3 ) P wq 收 稿 日期 ： 2 0 1 11 03 0 作者简介 ： 吴 鹏 ， 男， 硕 士， 主要从事水 电5 - 程项 目管理工作。Em a i l ： W U p e n g l c t g p e e o m 第 7期 吴 鹏 ， 等： 大体积 混凝 土一期通水冷却 时机研 究 2 9 式 中 ， 曲面 积分 O a Td s 可沿 冷 却水 管外 缘 面混 凝 土单 元 边界 面 逐个 单元 作高 斯数 值 积分求 得 。 由于冷却水的人 口温度 已知 ， 利用式 ( 3 ) ， 对每一 根冷却水管沿水流方向可以逐段推求沿程水温。 设某 根冷却水管共分为m段 ， 入 口水温为 第 i 段内水温 增 量 为 A T ， 则 有 = 。+ ， ，i ：1 ， 2 ， 3 ， ， m ( 4 ) 在 式 ( 3 ) 中 ， 水 管沿 程 水 温 的变 化 与 温 度梯 度 o Y i 有关 ， 是 一个 边 界非 线性 问题 ， 所 以温 度场 无法 一 次求 出 ， 必须 采用 迭代 解 法 逐 步 逼 近 真 解 。第 一 次 迭 代 时 可先假设整个冷却水管的沿程水温均等于冷却水的入 口温度 ， 利 用非稳 定 温 度 场 有 限元 控 制 方 程 先 求 得 温 度场的近似解 ； 再利用式 ( 3 ) 和式( 4 ) 求得水管内的沿 程水温 。重复上述过程 ， 直到? 昆 凝 土温度场 和冷却水 温都趋于收敛解 ， 迭代结束。 1 2 混凝 土徐变应力场有 限元分析 混 凝土 的应 变增 量 可表 示 为 A 8 = 8 ：+ s + ：+ ( 5 ) 式中， A 8 ： 为弹性应变增量； 为温度应变增量； ： 为 自生体积 变形增量 ； s 为徐 变应变增量 。应力增 量 与应 变增 量关 系 为 ： D ( 一 r ， 一 s 一 ? ) ( 6) 式中， ， 为应 力增量列 阵； If 为修 正 弹性 矩 阵 ； 为 总应 变增 量 ； r ， 为徐 变影 响 因子 。 由线 性 徐变 理论 可得 计算 徐 变应力 的有 限元 控 制 方 程为 K A 6 = A P + P + P + P 。 ( 7) 式中， K为整体刚度矩阵 ； 6 为节点位移增量 ； P 为 外 荷载 引 起 的 节 点荷 载 增 量 ； p 为徐 变引起的节点荷载增量； A P 为温度引起的节点荷 载增 量 ； P ”为 自生 体 积 变 形 引 起 的节 点 荷 载 增 量 。 由控制 方程 ( 7 )解 出各 节点 位 移增 量 6 后 ， 由 式 ( 3 )可 计算 出各 单 元应力 增 量 ， 累 加后 ， 即得 到各 单元 应力 。 2 算例分析 设一混凝土棱柱体长 L=1 0 0 1T I ， 宽 高 = 2 m 2 m， 在混凝土棱柱体横截面的正 中心方 向布置 了一根 外 径 为 3 2 fi l m 的冷 却 水 管 ， 混 凝 土 棱 柱 体 顶 面 散 热 ， 其他面为绝 热边 界。混凝土 的初 始温度取 2 3 ， 一 环境温度为 T o=1 7 5+1 0 8 c o s ( f 一6 1 ) ， f 的单位 为 d ， 冷却水入 口温度为 1 0 ( 2 ， 混凝土绝热温升表达式 为 0 ( )=2 5 3 ( 1一e ” ) ， ? 昆 凝土的导温系数 0= 0 1 m d ， 导热 系数 A ：8 4 9 k J ( m h ) ， 混凝 土 的表面放热系数 =2 7 7 3 k J ( m h ) ， 水流流量 q =2 0 0 m d ， 比热 c =4 1 8 k J ( k g c c) ， 密度P =1 0 0 0 k g m ， 网格剖分如图 1 所示 。典型节点见 图 2。 图 1有限元 网格 水管 0 2 m 、 ， 一 一 l I 0 4 r n 一 一 2 0 4 m 3 D 图 2典 型 节 点 示 意 2 1工况设计 为便于对 比分析 ， 进行了如下方案的计算。 ( 1 )方 案 1 。按 上 述 条 件 ， 一 期 通 水 开 始 时 间分 别为第 0， 0 5 ， 1 ， 2天， 连续通水 1 0 d ， 分别按水管冷却 有限元法和水管冷却等效热传导法进行温度场和徐变 应力 场仿 真计 算 。 ( 2) 方 案 2 。 环 境 温 度 变 化 为 T = 1 7 5 + 一 1 0 8 c o s ( t +7 8 ) ， t 的单 位为 d ， 以对 比环 境气 温为 h 、 升温过程和降温过程的计算结果规律是否一致。 2 2 温度场计算结果及分析 按 水 管有 限元 法计算 的 温度结 果如 图 3 6所示 ， 3 0 人 民 长 江 2 0 l 2年 图 3水管有限元法在点 1温 度过 程线 比较 圈 4水管有限元法在点 2温度过程线比较 图 5水管有限元法在 点 3温度 过程 线比较 3 4 3 2 3 O 2 8 2 6 2 4 器 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6 4 0 时间 d 图 6 水管有 限元法在 出口截面 管壁温度过程线 比较 图中标注 0， 0 5 ， 1 ， 2分别 表示开始通水时间为第 0， 0 5， 1 ， 2天。按水管冷却等效热传导法计算的温度结 果 如 图 7 9所 示 。采 用 方案 2按 水 管 有 限元 法 计 算 的温 度结 果如 图 l 0一l 2所 示 。 图 7水管等效法在点 1温度过程线 比较 图 8水管等效法在点 2温度过程线比较 图 9 水 管等效法在点 3温度过程线 比较 图 1 0方案 2水 管有 限元法在 点 1温度过程线 比较 第 7期 吴 鹏， 等 ： 大体积混凝土一期通水冷却 时机研 究 3 l 圈 1 1 方 案 2水管有 限元法在 点 2温度过程线比较 图 1 2 方 粟 2水 管 有 限 元 法 在 点 3温 度 过 程 线 比较 ( I )采 用水 管有 限 元 法 进行 分 析 时 ， 随着 一 期 通 水冷却开始时间的延后 ， 在通水期间 ， 最 高温度升高 ， 在停 止通 水后 ， 温度 反 而低 。如 在 点 2 ， 第 0天开 始 通 水 ， 在通 水期 间最 高温 度 为 3 6 8 3 5 ， 停 止通 水 后 ， 即 在第 l 5天 时 ， 温 度 为 3 2 5 4 0 。 而 在第 1天 开 始 通 水 ， 在通 水 期 间 ， 最 高 温 度 为 3 7 4 0 6 ， 停 止 通 水 后 ， 即在 第 1 5天 时 ， 温 度 为 3 1 9 4 8 o C。究 其 原 因 为 一 期 通水冷却时间延后 ， 混凝土内部平均温度高， 冷却水带 走 的热量 多 。 ( 2 )采用水管等效热传导法进行分析时 ， 随着一 期通水冷却开始时间的延后 ， 停止通水后 ， 温度更低。 如在 点 1 ， 第 0 天 开 始 通 水 ， 停 止 通 水 后 ， 温 度 为 3 1 4 2 6 ； 而在第 1天 开始 通 水 ， 停 止通 水 后 ， 温 度 为 2 8 81 。 ( 3 )采用 方案 2进 行 温度 场 仿 真 分 析 。 即环 境 温 度 由升温 变为 降温 时 ， 仍 然满 足上 述规 律 。 2 3徐变应力场计算结果及分析 按 节 2 2的温度 场仿 真计 算结 果进 行徐 变应 力 场 分 析 。 图 1 3 、 1 4为按 水管 有限 元法计 算 的徐 变应 力结 果 。图 1 5 、 1 6为按水管冷却等效热传导法计算的徐变 应 力结 果 。 分 析 图 1 31 6可 得如 下结 论 。 ( 1 )虽然采用水 管有 限元法进行分析时， 随着一 期通水冷却开始时问的延后 ， 在停止通水后 ， 温度反而 低 ， 即冷 却效果 好 ， 但 应力趋 于不 利 。 如 点1 ， 在第2 图 1 3 水管有 限元法在点 1主应力过程线 比较 图 1 4 水管有 限元法在点 2主应力过程线 比较 图 1 5水管等 效法在点 1主应 力过程 线比较 图 1 6 水管等效法在点 2主应力过程线比较 天通 水 ， 通水 前 ， 水 泥 水 化热 温 升 ， 混 凝 土 压应 力 逐 渐 增 加 ； 通 水期 间 ， 压应 力 减 小并 转 化 为 拉 应 力 ， 最 大拉 应 力为 1 1 2 7 MP a ； 停 止 通 水 后 ， 温 度 回升 ， 拉 应 力 减 小 ， 然后 随着 混凝 土 内部 温 度 向外 散热 而降温 ， 拉应 力 鹋 黜鹦 如 3 2 人 民 长 江 逐 渐增 大 ， 在 第 2 0天 时 ， 拉 应 力 为 0 7 1 7 MP a 。而 在 第 0天 通 水 ， 通 水 期 间 仅 有 很 小 的 拉 应 力 ， 为 0 1 7 5 MP a ； 停止通水后 ， 在第 2 0天时 ， 拉应力为 0 1 8 6 M P a 。 究 其原 因为一 期通 水 冷却 时 间 延 后 ， 混凝 土在 通 水 期 间降温 大 ， 从 而产 生较 大的拉 应力 。 ( 2 )采用水管等效热传导法进行分析时 ， 随着一 期通水冷却开始时间的延后 ， 在停止通水后， 温度反而 低 ， 即冷却效果好 ， 但应力 同样趋于不利。如点 1 ， 在 第 2天通水 ， 通水期间， 最大拉应力为 1 6 7 5 MP a ； 停 止 通水 后 ， 在 第 2 O天 时 ， 拉 应 力 为 1 4 2 3 M P a 。而 在 第 0天 通 水 ， 通 水 期 间 仅 有 很 小 的拉 应 力 ， 为 0 0 5 8 MP a ； 停止 通水 后 ， 在第 2 0天 时 ， 拉 应力 为 0 5 7 6 MP a 。 止通 水后 ， 温度 反 而低 ， 但 应力 结果 趋于 不利 。 ( 3 )对 比分 析 了环 境 气 温 为 升 温 过 程 和 降 温 过 程 ， 结 果 表明上 述结论 仍然 成立 。 ( 4 )综上 可见 ， 建议 大体 积 混 凝 土 一期 通 水 冷 却 开始 时 间宜尽 早 。 参 考文 献 ： 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应 力与温度控制 M 北京 ： 中国电力 出版 社 1 9 9 9： 6 5 26 6 8 2 朱伯芳 ， 蔡建波 混凝土坝 水管冷却效果 的有限元分析 J 水利 学报 1 9 8 5 ( 4 )： 2 73 6 3 刘 宁， 刘光廷 水管冷却效果的有限元子 结构模拟技 术 J 水利 学报 1 9 9 7 。 ( 1 2 )： 4 3 4 9 4 3 结 语 5 ( 1 )采用水管有限元法进行分析时， 随着一期通 水冷却开始时间的延后 ， 在通水期间， 最高温度升高， 在停止通水后 ， 温度反而低。采用水管等效热传导法 7 进行分析时 ， 随着一期通水冷却开始时间的延后 ， 停止 通 水后 ， 温度 更低 。 ( 2 )虽然采用水管有限元法和水管等效热传导法 进行分析时 ， 随着一期通水冷却开始时间的延后 ， 在停 朱岳明 ， 徐之青， 贺金仁 ， 等混凝土水管冷却温度 场的计算方法 J 长江科学院院报 ， 2 0 0 3 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 92 1 贺金仁高碾 压混凝 土重 力坝的 温度 防 裂研 究 D 南京： 河海 大学 ， 2 0 0 3 郭磊 ， 韩永林， 黄养连 ， 等 混凝土表 面保温和 水管冷却 的温控效 果研 究 J 人 民长江， 2 0 1 1 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 2 73 1 朱伯芳 考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程 j 水利 学 报 ， 1 9 9 1 ， ( 1 2 ) ： 4 3 4 9 黄耀英 ， 周宜红 两种 不同水管冷 却热传导计 算模型相 关性探讨 J 长江科学院院报 ， 2 0 0 9， 2 6 ( 6) ： 5 65 9 (编 辑 ： 郑 毅 ) S t u dy o n f i r s t s t a g e c o o l i n g o pp o r t un i t y o f m a s s i v e c o n c r e t e W U Pe n g ， LI Yo n g q u a n ， HUANG Ya o y i ng (1 C h i n a T h r e e G o r g e s C o r p o r a t i o n ， Y i c h a n g 4 4 3 1 3 3， C h i n a ； 2 Co l l e g e o f H y d r a u l i c a n d E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g， C h i n a T h r e e G o r g e s Un i v e r s i t y， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2， C h i n a) Abs t r a c t：Th e d e t e r mi n a t i o n o f o p p o r t u n i t y f o r fir s t s t a g e c o o l i n g o f ma s s i v e c o nc r e t e i s a n i mpo r t a n t i s s ue i n flu e n ci n g t he c o o l i ng e f f e c t ，a nd t hi s i s s ue i s i n v e s t i g a t e d b y p i p e FEM a nd c o o l i ng pi p e e q ui v a l e n t he a t c o nd u c t i o n mo de 1 W e c o mp a r e t h e d i ffe r e n t r e s u l t s i n d uc e d by r a i s i ng e n v i r on me n t a l t e mpe r a t u r e a n d l o wi ng e nv i r o n me n t a l t e mpe r a t u r e I f t he t i me o f fir s t s t a g e c o o l i n g i s p o s t p o ne dc o o l i n g e f f e c t i s be t t e r ，wh e n c o o l i n g s t o p s，t he ma s s i v e c o n c r e t e t e mpe r a t u r e i s l o we r ，b ut t h e ma s s i v e c o nc r e t e s t r e s s i s d i s a d v a n t a g eThe a b o ve r e s ul t s wo u l d b e t he s a me wh e t h e r t he e n v i r o nme n t a l t e mpe r a t u r e i s i n a r i s i ng p e r i o d o r l o wi n g p e r i o dThe s u g g e s t i o n o n fir s t s t a g e c o o l i n g o f ma s s i v e c o nc r e t e a s e a r l y a s p o s s i b l e i s r e c o mme n d e d Ke y wo r ds：p i p e c o o l i ng； fir s t s t a g e c o o l i n g； t e mpe r a t u r e s t r e s s ；o p p o r t un i t y o f wa t e r c o o l i ng I ，一l l I 一一一 一 一 简 讯 水 保 局 开 展 丹 江 口 库 周 主 要 支 流 水 质 监 测 2 0 1 2年 3月 2 8 3 1日， 水保 局丹江 口局结合本 年度 S - 作 人员克服诸 多困难， 精 心 组织 ， 周 密安排 ， 紧密配合 ， 制定 了合 任 务， 会 同长江流域水 环境 监测 中心成 立工 作组 ， 共 同开展 丹 理的工作 计划和 采样 线路。 江 口库周 主要支流水 质监 测断面现场查勘 、 样 品采 集和水 质分 经过 4 d的努力 ， 工作组先后完成 了浪河 、 剑河、 官 山河 、 泗 析 工作 。 河 、 神定 河、 犟 河、 堵 河 、 东 河 、 汉 江 、 天 河 、 曲远 河、 淘 沟河 、 滔 目前， 丹江 口水库处于枯水 期， 水位较 低， 加上此次水 质监 河 、 丹江 、 淇河 、 老灌 河等 1 6条 丹江 口库 周主 要支 流水 质监 测 测 断面现场查勘 与采样工作点 多面广 、 战 线长 、 环境 复杂 ， 工作 断面现场查勘 、 样 品采 集和水质分析工作 。 ( 长 江)